激光診斷測試技術在實驗教學中的應用與探索

韓 陽， 徐 鵬， 郭春雨， 王 超， 孫 聰

（1.哈爾濱工程大學船舶工程學院船舶與海洋工程國家級實驗教學示范中心，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學青島創新發展基地，山東青島 266000）

0 引 言

國家逐漸重視創新性人才的培養，實驗課程改革正在各大高校如火如荼開展［1-3］。在借鑒國內外相關課程改革的基礎上，更應該結合學校、學生本土實際情況，做出相應調整，不能一味地照搬照抄［4］。如何充分調動學生的動手能力，加強學生在課堂上的自主性和積極性，是目前需解決的難題。教育部在《關于全面提高高等教育質量的若干意見》中指出，“創新教育教學方法，倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學”［5］，給目前的課程改革指明方向。加大對學生自主探究、討論和解決問題能力的培養，充分調動學生在課堂上的自主性和積極性，是目前最棘手的問題。學校在響應國家號召的基礎上，充分調研學生出勤情況、興趣課程及教師意見，積極開展實驗教學改革，引進新型試驗技術手段，拓展新型實驗方法來培養創新性人才，培養學生對待探究能力、解決問題的能力［6-10］。

傳統流體力學晦澀難懂，學生學習積極性不高，課堂出勤率以及學習成績與其他課程相比具有明顯的下滑。本文將激光診斷測試技術引入流體力學實驗課程中，加強對學生探究問題、動手能力的培養，自課程改革以來，取得不錯成效。

1 粒子圖像測速技術

粒子圖像測速技術（Particle Image Velocimetry，PIV）是基于光學測量的一種非接觸式測量技術，可以獲得測量截面內粒子的位移信息，進而得到兩個速度分量。采用多臺相機，可以獲得一個截面內或一個測量空間內的所有速度分量信息［11-12］。PIV 具有無接觸、瞬態、全局的測量有點，是研究流場特征推薦使用的測試技術［13］。

在PIV中，通過測量粒子在兩個激光脈沖之間的運動，從待測區域中查詢窗口中得到速度矢量信息：

在待測區域內，利用激光片光照亮示蹤粒子，相機鏡頭將待測區域成像到高速相機的傳感器陣列上。相機傳感器能夠在單獨的圖像幀中捕捉每一個光脈沖。一旦兩個光脈沖序列被記錄下來，圖像就被分成小的部分，稱為查詢窗口。每個圖像幀的I1和I2查詢窗口之間進行互相關計算。相關產生一個信號峰值，確定粒子平均位移Δx，通過亞像素插值精確測量位移信息，進而根據兩脈沖之間的時間間隔獲得速度場信息。在CCD相機捕獲的兩幀圖像上，對每個詢問區域重復互相關計算，得到整個目標區域的速度矢量圖［14］。

如圖1 所示為PIV 原理示意圖，最簡單的PIV 系統主要由高速相機、激光器和同步器組成。

圖1 PIV原理示意圖

2 實驗教學設計

以船艏入水實驗為例，展示激光診斷技術在實驗教學中的應用，以期為相關課程及學者提供教學改革思路。

2.1 實驗模型與工況

采用簡化的二維船艏為本次試驗模型，如圖2 所示，實驗工況數據如表1 所示。

表1 實驗相關參數

圖2 簡化的二維船艏模型

2.2 實驗設備

物體入水實驗平臺如圖3 所示，鼓勵學生自主設計實驗裝置，動手搭建實驗測試平臺。試驗裝置由鋁型材框架、下落滑軌和透明水箱構成。透明水箱由亞克力玻璃制成，選取透明材質便于高速相機拍攝流場中示蹤粒子的信息。水箱坐落于鋁型材框架上，底端與地面留有0.8 m距離，便于布置激光器。試驗時水箱中水深0.3 m，水箱上端設有兩根相互平行且垂直于水平面的滑軌，滑軌長0.8 m，滑軌中間設置有電磁裝置，利用通電開關控制物體下落。試驗時將下落物體通過電磁效應固定在下落滑軌上，關閉電磁開關，下落物體在沒有磁力的作用下開始做自由落體運動，通過高速相機捕捉入水瞬時的流場特征。

圖3 入水實驗平臺示意圖

圖4 為工作中的激光診斷系統，所采用的高速相機型號為NAC Memrecam HX-6 高速CMOS 相機，分辨率為1 280 pixel×1 000 pixel，采集幀率為4 kHz，鏡頭為尼康50 mm f1.4 大光圈鏡頭。

圖4 工作中的激光診斷系統

激光器為一臺波長532 nm的10 W Nd：YAG連續激光器，輸出功率0 ～10 W可調，激光片光厚度2 mm，光腰直徑3 mm，功率穩定度小于1%（見圖5）。

圖5 連續激光器

選取由Dantec 公司制造的空心玻璃微珠作為本次研究的示蹤粒子，平均顆粒直徑50 μm，密度1.1 g／cm3，折射率1.52，具有良好的反光性和跟隨性，試驗分析中的相關參數見表2。

表2 互相關分析參數

2.3 實驗流程

實驗主要有以下幾個步驟：

（1）船艏入水實驗前期準備，如搭建實驗平臺，安裝電磁設備，透明水箱注水等；

（2）連接高速相機與激光器并調試相關參數，如調整焦距、光圈、激光強度等；

（3）在透明水箱中布撒示蹤粒子，粒子濃度適中，且均勻分布在待測流場中，并對待測流場進行標定；

（4）激光片光照射布撒在水中的示蹤粒子，控制電磁開關，使船艏模型做自由落體運動，同時控制高速相機開始采集；

（5）對采集得到的原始圖像進行圖像去噪、互相關分析等操作，進一步通過軟件分析得到待測流場中的速度信息；

（6）分析數據，得出結論。

2.4 實驗結果

圖6 為高速相機采集得到的原始數據，可以看出，船艏模型與水體、氣相與液相具有明顯的分界線，且產生堆積區域與射流。在進行流場分析時，只計算液相區域，這里的流場是我們更加關注的。

圖6 高速相機采集到的原始數據

圖7 為不同下落時刻流線分布，流線能夠很好地給出流場的流動結構，能夠形象地展示液體的流動方向。

圖8 為不同下落時刻流場信息。不同時刻下的流場最大速度均出現在堆積區域，并形成沿船艏壁面的射流。流體受到船艏模型的排擠作用，成散射狀向外發散。在下落到20 ms時，由于船艏內凹壁面的影響，出現空腔。空腔處速度降低，將原本連續的速度等值線分成了上下兩部分。

3 教學成效

將激光診斷技術引進流體力學課堂中，使得原本晦澀難懂的力學課程變得生機活力。改變原有傳統的驗證型實驗教學，變為探索性、啟發性實驗教學，充分鍛煉學生的動手能力、解決問題能力。從實際問題出發，構建問題簡化模型，搭建實驗平臺，將傳統試驗中的力與力矩改變為展示更多的流場結構與細節。自從實驗改革實施以來，取得不錯成效，力學課程中學生的出勤率明顯提高，伴隨而來的便是成績的提升。啟發式、探究式、討論式、參與式的教學方式，提高了學生學習的自主性，形成了學生解決問題的思維方式，培養了創新性人才。同時，學生在科創比賽以及科研論文等工作中均取得優異成績［15-18］。

4 結 語

用人單位更加注重創新性人才的選拔，各大高校也積極響應國家號召，培養創新性人才［19］。我校依托船舶與海洋工程國家級實驗教學示范中心，對原本枯燥乏味課程進行改革，在增加學生學習積極性的同時，亦能夠提高教師的教學水平，將科研與教學相結合，探索出一條產-學-研三位一體的教學之路。